CN109904308B

CN109904308B - 一种通过纳米线环结构实现电操控磁读写存储功能的方法

Info

Publication number: CN109904308B
Application number: CN201910191517.6A
Authority: CN
Inventors: 余林蔚; 朱智旻; 马海光; 王军转
Original assignee: Nanjing University
Current assignee: Nanjing University
Priority date: 2019-03-14
Filing date: 2019-03-14
Publication date: 2020-07-03
Anticipated expiration: 2039-03-14
Also published as: CN109904308A

Abstract

本发明公开了一种通过纳米线环结构实现电操控磁读写存储功能的方法，首先，在衬底上利用光刻和刻蚀技术定义所需要的纳米线引导生长沟道的图案；通过金属液滴引导的生长模式，顺延引导台阶边缘生长纳米线形成纳米环结构；然后，在样品表面蒸镀或者涂布一层磁性薄膜材料，仅保留纳米环附近的磁性薄膜材料；在纳米线两端利用制备电极；最后，通过在纳米线中通过适当电流，可在纳米环中产生感应磁场，使得磁性薄膜中的磁畴发生定向翻转，从而实现对磁性介质的电操控“写入”操作，反之亦可实现相应的擦除；本发明由于消除了对移动读写磁头的需求，此电操控磁读写单元可以在垂直方向上实现多层堆叠，从而实现高密度的3D存储应用。

Description

一种通过纳米线环结构实现电操控磁读写存储功能的方法

技术领域

本发明涉及信息存储技术领域，尤其涉及一种通过纳米线环结构实现电操控磁读写存储功能的方法。

背景技术

在二十一世纪这样一个信息量爆炸式增长的时代，信息存储技术的重要性逐渐突显。对高存储容量和存取速度，高性价比存储设备不断增长的需求进一步推动了存储记录的发展。为了不断提高记录行业存储介质的记录密度，新型存储记录技术不断涌现。基于垂直磁记录的技术，已经把现有的记录密度提高了一倍。然而，垂直磁记录技术仍然存在一个速度极限的问题。

发明内容

发明目的：针对上述问题，本发明提出了一种利用平面纳米线围绕着磁性薄膜材料生长的技术，使得纳米线阵列沿着光刻定义的覆盖有磁性材料的坡面台阶边缘生长，然后在纳米线的两端蒸镀电极，通过在纳米线中通过适当电流，使得磁性薄膜中的磁畴发生定向翻转，从而实现对磁性介质的电操控“写入”操作；写入的磁畴偏置状态，可以通过在纳米线中引入交变电流并跟踪其阻抗变化实现读出，从而实现电场操控的磁读写功能。

技术方案：

一种通过纳米线环结构实现电操控磁读写存储功能的方法，包括步骤：

1)采用晶硅、玻璃或者介质层覆盖的金属薄膜作为衬底，利用薄膜淀积技术在其上淀积介质层；

2)利用光刻技术依照光刻模板的图案预定引导沟道台阶位置，再刻蚀技术刻蚀介质层形成引导沟道台阶；

3)在样品表面进行光刻，蒸镀或者涂布一层磁性薄膜材料，使得所述引导沟道台阶表面覆盖一层磁性薄膜材料；

4)在所述样品表面上位于所述引导沟道台阶一侧位置淀积金属催化层作为催化纳米线生长的起点；在还原性气体等离子体作用下，在高温时通过还原性气体等离子体处理衬底表面预先淀积的金属催化剂，还原成催化金属纳米液滴；

5)降低温度到金属纳米液滴熔点以下且适宜沉积非晶硅的温度，通过PECVD，CVD或者PVD沉积技术，在所述样品表面覆盖一层或多层与所需要生长纳米线成分相对应的非晶薄膜前驱体层；

6)升高温度到300-500℃，使得金属纳米液滴颗粒重新熔化，使其在退火的过程中吸收所述非晶薄膜前驱体层的非晶硅的同时在其后端析出晶硅纳米线，并借助引导沟道台阶坡面的引导作用，所述晶硅纳米线平行生长于所述引导沟道台阶坡面之上；

7)选择性刻蚀所述样品表面剩余非晶硅，保留所述晶硅纳米线；

8)在所述晶硅纳米线两端利用电子束蒸发技术蒸镀一层钛/金电极；

9)通过在所述晶硅纳米线中通过交变电流，在所述晶硅纳米线形成的纳米环中产生感应磁场，使得所述引导沟道台阶表面的磁性薄膜中的磁畴发生定向翻转，实现对所述磁性介质的电操控“写入”操作，反之实现相应的擦除。

所述步骤1)中的介质层材料为非晶氧化硅SiO₂或氮化硅SiN_x。

所述步骤2)中，所述刻蚀技术采用电感耦合等离子体刻蚀技术或者反应离子体刻蚀技术。

所述步骤2)中，在所述刻蚀过程中使用C₄F₈、CF₄、SF₆、或其混合气体进行刻蚀。

所述步骤4)中，所述淀积金属催化层的材料采用铟、锡、镍、铋、镓、金、铜或者其合金。

所述步骤4)中，所述淀积金属催化层的厚度为20～40nm。

所述步骤4)中，所述金属纳米液滴的直径在10～1000nm范围内。

所述步骤5)中，将温度降低到100～160度，在PECVD系统中表面覆盖一层20～100nm厚的非晶硅薄膜前驱体层。

所述步骤5)中，所述前驱体层为非晶硅a-Si、非晶锗a-Ge、非晶碳a-C、或者其中的非晶合金层、或者其中的异质叠层结构。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

1)解决了传统的磁记录读写技术和垂直读写磁记录技术存储容量不够的关键问题，可以在垂直方向上实现多层堆叠，实现高密度的3D存储应用；

2)利用平面生长纳米线技术，可以定义任意图案的纳米线磁记录读写装置，以满足不同磁记录读写环境的需求，并且此技术完全兼容大面积薄膜电子器件的基本工艺，不必引入额外的高精度光刻技术，降低制造成本。

3)相比于传统的磁记录读写技术，基于平面自组装生长的硅纳米线的生长技术可以在纳米级别这个特征尺度下实现磁记录读写的装置，提高信息提取的分辨率和准确率；

4)通过控制磁畴定向翻转，实现对磁性介质的电操控“写入”操作，反之亦可实现相应的擦除，实现擦除原信息并写入新的信息，相比于传统的光记录技术，电操控的磁读写单元能够反复使用，提高存储器的使用效率。

5)另外，通过电操控的磁读写单元，由于磁场具有良好的稳定性，能够可靠地适用于各种测试环境。

附图说明

图1的a～f是本发明通过纳米线环结构实现电操控磁读写存储功能的方法的制备流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。

如图1所示，本发明通过纳米线环结构实现电操控磁读写存储功能的方法通过在纳米线中通过适当电流，使得磁性薄膜中的磁畴发生定向翻转，从而实现对磁性介质的电操控“写入”操作，反之亦可实现相应的擦除；写入的磁畴偏置状态，可以通过在纳米线中引入交变电流并跟踪其阻抗变化实现读出，从而实现电场操控的磁读写功能；通过消除对移动读写磁头的需求，此电操控磁读写单元可以在垂直方向上实现多层堆叠，从而实现高密度的3D存储应用，其制备过程可包括以下步骤：

1)采用晶硅、玻璃或者介质层覆盖的金属薄膜作为衬底，利用一种或多种薄膜淀积技术，在其上淀积介质层(如非晶氧化硅SiO₂，氮化硅SiN_x等)；

2)利用光刻技术依照光刻模板的图案预定引导沟道台阶位置，再用电感耦合等离子体(ICP)刻蚀或者反应离子体刻蚀(RIE)等技术刻蚀介质层形成引导沟道台阶。刻蚀过程中可使用C₄F₈、CF₄、SF₆(或其混合气体)等具有不同陡直特性和表面钝化特性的反应气体进行刻蚀。

3)在刻蚀完所述引导沟道台阶的样品表面进行光刻，蒸镀或者涂布一层磁性薄膜材料，使得所述引导沟道台阶表面覆盖一层磁性薄膜材料。

4)利用光刻定位、热蒸发或者电子束蒸发等技术，淀积金属(如铟、锡、镍、铋、镓、金、铜、或其合金)催化层(厚度20～40nm)，作为催化纳米线生长的起点；在还原性气体(氢气等)等离子体作用下，在高温时通过氢气的等离子体处理衬底表面预先淀积的金属催化剂，还原成催化金属纳米液滴；通过控制其处理时间、温度、功率和气压等参数，将金属液滴的直径控制在10～1000nm范围内；

5)降低温度到金属纳米液滴熔点以下且适宜沉积非晶硅的温度，通过PECVD，CVD或者PVD沉积技术，在所述样品表面覆盖一层或多层与所需要生长纳米线成分相对应的非晶薄膜前驱体层；在本发明中，将温度降低到100～160度，在PECVD系统中表面覆盖一层非晶硅薄膜(20～100nm)前驱体层；在本发明中，前驱体层可以为非晶硅a-Si、非晶锗a-Ge、非晶碳a-C或者其中的非晶合金层，以及异质叠层(如a-Ge/a-Si)结构；

6)升高到300-500℃，使得纳米铟颗粒重新熔化，使其在退火的过程中吸收所述非晶薄膜前驱体层的非晶硅的同时在其后端析出晶硅纳米线，从而引导平面硅纳米线的生长；借助引导沟道台阶坡面的引导作用，纳米线将平行生长于所述引导沟道台阶坡面之上，生长方向由所述引导沟道台阶整体走向决定；

7)通过氢气等离子体或者相应的ICP、RIE刻蚀工艺选择性刻蚀所述样品表面剩余非晶硅，保留晶硅纳米线；

8)在所述晶硅纳米线两端利用电子束蒸发(EBE)等技术蒸镀一层钛/金电极；

9)通过在所述晶硅纳米线中通过交变电流，可在所述晶硅纳米线形成的纳米环中产生感应磁场，使得所述引导沟道台阶表面的磁性薄膜中的磁畴发生定向翻转，从而实现对磁性介质的电操控“写入”操作，反之亦可实现相应的擦除；写入的磁畴偏置状态，可以通过在纳米线中引入交变电流并跟踪其阻抗变化实现读出，从而实现电场操控的磁读写功能；由于消除了对移动读写磁头的需求，此电操控磁读写单元可以在垂直方向上实现多层堆叠，从而实现高密度的3D存储应用。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换(如数量、形状、位置等)，这些等同变换均属于本发明的保护。

Claims

1.一种通过纳米线环结构实现电操控磁读写存储功能的方法，其特征在于：包括步骤：

2)利用光刻技术依照光刻模板的图案预定引导沟道台阶位置，再利用刻蚀技术刻蚀介质层形成引导沟道台阶；

5)降低温度到金属纳米液滴熔点以下且适宜沉积非晶硅的温度，通过CVD或者PVD沉积技术，在所述样品表面覆盖一层或多层与所需要生长纳米线成分相对应的非晶薄膜前驱体层；

9)通过在所述晶硅纳米线中通入交变电流，在所述晶硅纳米线形成的纳米环中产生感应磁场，使得所述引导沟道台阶表面的磁性薄膜中的磁畴发生定向翻转，实现对所述磁性介质的电操控“写入”操作，反之实现相应的擦除。

2.根据权利要求1所述的通过纳米线环结构实现电操控磁读写存储功能的方法，其特征在于：所述步骤1)中的淀积的介质层材料为氮化硅SiN_x或非晶氧化硅SiO₂。

3.根据权利要求1所述的通过纳米线环结构实现电操控磁读写存储功能的方法，其特征在于：所述步骤2)中，所述刻蚀技术采用电感耦合等离子体刻蚀技术或者反应离子体刻蚀技术。

4.根据权利要求1所述的通过纳米线环结构实现电操控磁读写存储功能的方法，其特征在于：所述步骤2)中，在所述刻蚀技术中使用C₄F₈、CF₄、SF₆、或其混合气体进行刻蚀。

5.根据权利要求1所述的通过纳米线环结构实现电操控磁读写存储功能的方法，其特征在于：所述步骤4)中，所述淀积金属催化层的材料采用铟、锡、镍、铋、镓、金、铜或者其合金。

6.根据权利要求1所述的通过纳米线环结构实现电操控磁读写存储功能的方法，其特征在于：所述步骤4)中，所述淀积金属催化层的厚度为20～40nm。

7.根据权利要求1所述的通过纳米线环结构实现电操控磁读写存储功能的方法，其特征在于：所述步骤4)中，所述金属纳米液滴的直径在10～1000nm范围内。

8.根据权利要求1所述的通过纳米线环结构实现电操控磁读写存储功能的方法，其特征在于：所述步骤5)中，将温度降低到100～160度，在所述样品表面覆盖一层20～100nm厚的非晶硅薄膜前驱体层。

9.根据权利要求1所述的通过纳米线环结构实现电操控磁读写存储功能的方法，其特征在于：所述步骤5)中，所述前驱体层为非晶硅a-Si、非晶锗a-Ge、非晶碳a-C、或者其中的非晶合金层、或者其中的异质叠层结构。